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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.16 No.1 pp.53-64
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2016.16.1.053

A Study on Solar Radiation and Efficient Solar Panel of Icosahedron-based Hemispherical Dome

Su-Deok Shon* , Don-Woo Lee** , Seung-Jae Lee***
*School of Arch. Eng., Korea Univ. of Tech. & Education
**School of Arch. Eng., Korea Univ. of Tech. & Education
***School of Arch. Eng., Korea Univ. of Tech. & Education
Corresponding author : School of Arch. Eng., Korea Univ. of Tech. & Education 041-560-1334041-560-1224leeseung@koreatech.ac.kr
December 17, 2015 February 11, 2016 February 11, 2016

Abstract

Solar power is being spotlighted recently as a new energy source due to environmental problems and applications of solar power to curved structures are increasing. Solar panels installed on curved surfaces have different efficiencies depending on its position and the efficient positioning of solar panels plays a critical role in the design of solar power generation systems. In this study, the changing characteristics of solar irradiance were analyzed for hemispherical dome with a large curvature and the positioning of solar panels that can efficiently utilize solar energy was investigated. With an icosahedron-based hemispherical dome consisting of triangular elements as target model, a program for calculating solar irradiance using a normal vector of the solar module on each face was developed. Furthermore, the change of solar irradiance according to the sun’s path was analyzed by time and season, and its effects on shades were also examined. From the analysis results, the effective positioning could be determined on the basis of the efficiency of the solar panels installed on the dome surfaces on solar irradiance.


정20면체기반 반구형 돔의 일사량과 효율적인 솔라패널에 관한 연구

손 수 덕* , 이 돈 우** , 이 승 재***
*정회원, 한국기술교육대학교 건축공학부 연구교수, 공학박사
**정회원, 한국기술교육대학교 건축공학부 대학원, 박사과정
***교신저자, 한국기술교육대학교 건축공학부 교수, 공학박사

초록


    Ministry of Science, ICT and Future Planning
    National Research Foundation
    NRF-2014R1A2A1A01004473

    1.서론

    돔 구조물은 역학적인 특수성과 더불어 부드러운 곡면으로 형성되는 구조로서 비교적 튼튼하고 아름 다운 구조 중 하나로 간주되어진다. 역학적인 특수 성은 외부의 하중을 면내로 전달할 수 있기 때문이 며, 구형 형상이 주는 아름다움은 B. Fuller의 지오 데직 돔에서 쉽게 확인할 수 있다(Shon et. al., 2015). 돔은 적은 재료로 구조물 내부에 기둥을 설 치하지 않는 공간을 설계할 수 있으며, 힘의 흐름이 비교적 자연스럽다. 일반적으로 대공간 구조물 설계 에 많이 이용되는 단층 삼각형 네트워크 돔의 경우 지오데직 돔 보다 얕은 형상으로 모델링이 가능하 다. 돔의 곡면은 삼각도형 이외에도 정이십면체 (Icosahedron)기반의 돔은 오, 육각도형을 기반으로 완전체 형상을 모델링한다. 하지만 각각의 각형은 삼각형으로 표현 가능하므로 가장 많이 사용되는 분할도형이 된다(Lee and Shon, 2014). 모듈화가 비 교적 쉬운 삼각형 단위의 형상으로 표현되는 돔이 나 외피구조는 과거뿐 아니라 근래에도 많은 건축 구조물의 설계에 적용되었다. 그러나 정이십면체기 반 반구형 돔은 다른 쉘 구조와 마찬가지로 구조 불 안정성을 고려하여 설계해야한다. 특수한 역학적 위 험은 대부분의 네트워크 돔에서 동일하며, 불안정현 상의 발생위험도가 높을수록 또는 특성이 예측하기 힘들수록 설계에서 매우 까다로운 검토를 수행해야 한다(Choong and Hangai, 1993). 이런 까닭에 대부 분의 돔형 구조물의 연구는 구조안정성에 관한 주 제가 많았고(Kim and Han, 1998; Jung, 1997; Abedi and Parke, 1991; Kato et. al., 1994; Bulenda and Knippers, 2001; Lopez et. al., 2007; Yamada et. al., 2011), 연구자들의 노력으로 역학적 연구 성 과는 격자기반 자유형상구조물을 안정적으로 설계 하는데 큰 역할을 하였다. 특히 삼각형기반의 모델 들은 다양한 형태로의 가능성이 주목되고 있으며, 곡면의 최소단위유닛인 삼각형은 이중 곡률곡면의 형태표현에 매우 유연하게 적용된다. 그러나 유리를 이용한 삼각격자곡면 외피구조의 새로이 해결해야 될 문제는 구조물 내 외부 온도차에 의한 에너지 손 실이 매우 크다는 것이고, 심각한 에너지 손실을 막 아보기 위한 대처방법에 대해서 여러 각도로 고민 하게 되었다.

    건축의 주된 기능은 인간에게 안전하고 편안한 피난처(Shelter)를 제공함에 있으며, 궁극적 목표는 강렬한 태양광선이나 극심한 외기 기온의 변화 등 과 같은 외부 환경의 변화로부터 실내에서 생활하 는 거주자들을 보호하는데 있다. 특히 인류가 전적 으로 의존해온 화석에너지가 고갈이 되어가고 있으 며, 온실가스에 의한 지구온난화와 그로인한 기상이 변, 그리고 환경오염으로 인류의 생존은 중대한 위 협에 처해있다. 전 세계적으로 환경 친화적이고 재 생 가능한 에너지를 개발하여 환경문제를 해결하기 위해 노력하고 있다(Hong and Choi, 2010; Kim, 2010; Idowu et. al., 2013). 이 문제들을 해결하기 위한 방법 중 태양광발전 에너지가 주요 전략산업 으로 등장하였고 성장하는 중이다. 태양광은 지속적 일 뿐 아니라 무제한으로 누구나 얻을 수 있는 무공 해 천연에너지라는 점에서 풍력과 함께 가장 확실 한 신재생에너지의 대안이 될 수 있다. 최근에는 유 럽 주택들을 중심으로 건축물 지붕에 솔라패널을 설치하여 에너지를 절약하는 세대들이 많아지고 있 다<Fig. 1>.

    이러한 노력들이 계속되면서 건축물에 설치되는 태양광 발전 시스템은 다양한 재료로 개발하기 시 작하였고, 연성 막 구조물과 같은 곡면 구조물에도 응용이 가능해졌다. 에너지 효율도 새로운 재료와 제작방식 등에 의해서 향상되고 있다. 또한 곡면을 표현할 수 있는 삼각형 모듈에서 접는 방식에 이르 기까지 다양한 발전을 하였고, 곡면에 따른 솔라패 널의 법선방향에 의해 에너지 효율이 달라진다 (Shariah et. al., 2002; Gunerhan and Hepbasli, 2007). 곡면구조물에 대한 적용을 위해서 주로 스타 디움이나 대형 구조물의 지붕에 적용되었는데 대표 적으로 곡면의 적용사례에 대해서는 <Fig. 2>에서 보는바와 같이 베를린의 Lehrter Station과 대만의 World Games Stadium에서 찾아 볼 수 있다(Kim, 2010). 두 예제에서 보더라도 곡면구조물의 태양에 너지 활용은 에너지 손실에 대한 매우 가능성 있는 대체방안으로 주목된다.

    따라서 본 연구에서는 돔 구조물의 태양에너지 활용을 해 설치되는 솔라패널의 일사량을 연구하도 록 하며, 효율적인 배치를 위해서 곡면에서의 일사 량 변화를 관찰하도록 한다. 연구대상 곡면으로는 정이십면체기반 돔 구조물을 채택하고, 삼각형 요소 로 구성된 곡면에 대해서 일사량을 해석한다. 이를 위해서 태양의 경로와 삼각형 요소의 법선벡터를 이용한 일사량 해석프로그램을 개발하고, 시간별, 일별 그리고 계절별 변화량을 분석하도록 한다. 또 한 돔 구조물에서 발생되는 음영의 효과에 대해서 도 일사량 변화를 관찰하여 효율적인 배치 방안을 도출하도록 하였다. 본 논문의 구성은 2장에서는 정 이십면체기반의 반구형 돔 형상과 모델링을 설명하 였고 3장에서는 태양의 경로와 경사진 솔라패널의 일사량계산 과정을 설명하였다. 4장에서는 해석대 상모델에 대해서 시간별, 일별, 계절별 그리고 음영 조건에 따른 일사량 산정 결과를 분석하였고, 효과 적인 패널의 위치에 대해서 설명하였다. 마지막으로 5장에서 결론을 도출하였다.

    2.정이십면체 반구형 돔의 형상

    곡면의 삼각형 격자 지붕에서 격자부재의 절점각 도는 매우 복잡하지만 정이십면체기반 돔은 오, 육 각형의 단위 유닛의 조합으로 형상이 결정되므로 시스템화가 가능하다. 즉, 단위모듈에서 삼각도형으 로 이루어진 공간은 오각 또는 육각뿔로 집약된다.

    <Fig. 3 (a)>와 같은 정이십면체는 한 개의 꼭짓 점에 다섯 개의 면이 만나 20개의 정삼각형으로 이 루어진 3차원 정다면체이다. 다면체 꼭짓점은 <Fig. <Fig. 3 (b)>와 같이 오각형 좌표로 계산된다. 면을 동일 한 간격으로 3분할하여 삼각격자로 형성하고 분할 된 면의 내부 절점을 구의 중심에서 꼭짓점의 거리 와 동일한 위치로 수정하여 반구형 돔으로 모델링 하면 <Fig. 4>와 같은 형상을 얻을 수 있다. 이러한 과정은 단위 모듈을 쉽게 모델링 할 수 있으며, Shon et. al.(2014)의 문헌에서는 수정된 정이십면체 반구형 돔(Modified Icosahedron Dome: MICD)으 로 설명하고 있다.

    본 논문에서 다루는 MICD 모델은 41개의 절점으 로 구성되며, 60개의 정삼각형 모델링 요소 및 100 개의 격자 네트워크 요소로 구성된다. 해석대상모델 은 정이십면체 한 변의 길이가 1.8m인 형상으로 채 택하였고, 절점좌표는 <Table 1>과 같다. 표에서 나 타난 절점번호는 <Fig. 5 (a)>와 같고, 격자모델의 각 변의 길이는 51.8cm, 60cm, 61.3cm로 세 가지로 구분된다. 이상과 같이 형성된 모델의 삼각형 패널 요소에 대한 면적은 <Fig. 5 (b)>와 같이 오각뿔을 이루는 삼각형의 면적은 0.127m2, 육각뿔을 이루는 삼각형의 면적은 0.161m2이다.

    3.태양의 경로와 경사면의 일사량 모델링

    지표면의 특정위치에 작용하는 태양광 영향은 태 양위치에 따른 각도와 작용점에 설치된 솔라패널의 법선벡터에 따라 효율이 달라진다. 두 벡터의 내적으 로 계산 가능한 태양일사량은 지구의 자전과 공전에 의해서 시시각각 달라진다. 본 장에서는 태양각도, 패 널각도, 일사량 및 발전량산정에 대해서 기존 문헌을 바탕으로 설명하고, 패널의 경사각(Tilt angle)에 따른 일사량 계산결과를 고찰한다(Chang, 2009; Skeiker, 2009; Lee, 2013; PVCDROM).

    3.1.태양광과 태양각도

    수소의 핵융합 반응에 의한 태양 중심부의 방대한 에너지는 우주공간에 방사되어 지구 대기원에 도달하 며, 도달된 에너지는 대기를 투과하여 관찰점에 도달 한다. 태양과 지구 거리는 약 1억 5천만 km이며, 태양 광이 대기권에 도달한때의 태양에너지 Gsc는 1350 W/m2로 대기노정을 투과하여 도달하게 된다. 태양광 의 직달성분에 대한 계산에서 태양 중심의 표현보다 태양이 지구를 중심으로 회전하는 모델이 보다 직관 적이고 유리하다. 태양의 겉보기 움직임은 태양광의 입사 및 태양전지의 흡수면의 기울기의 계산으로 표 면의 출력밀도를 계산할 수 있기 때문에 지구상의 특 정위치를 표현하는데 필요한 위도, 경도 및 표준시간 과 관찰점과의 관계정보가 필요하다. 태양시간을 계산 하기 위한 지표로 표준시간(GMT)을 사용하며, 지구 공전각(B)을 이용한 시각방정식(Eo T)과 관찰점의 태 양시간(LT), 정오의 지방시간(LST) 및 지방표준시간 자오선(LSTM)을 이용하여 시간각도(ω)를 구할 수 있 다. 여기서 표준시차(ΔTGMT)는 시간당 15°이다.

    EoT = 9 . 87 sin 2 B 7 . 53 cos B 1 . 5 sin B
    (1)

    ω = 15 ° LT + 4 L LSTM + EoT 60 12
    (2)

    지구의 자전에 따른 천구상의 각도를 알면 태양의 연중 경사각(δ) 즉, 태양 천체의 적위를 계산할 수 있 다. 태양의 적위는 최댓값은 지구 자전축의 경사각과 같으며 하지일 때 23.45°로 최소이고 춘분과 추분에 는 0°가 된다. 이와 같은 관계를 식으로 나타내면 다 음과 같다.

    δ = sin 1 sin 23 . 45 ° sin B = sin 1 0 . 397949 sin B 23 . 45 ° sin B
    (3)

    태양 고도각(α)과 천정각(ζ)은 태양의 위치를 나타 내는 지표이며, 각각 지평면에 대한 태양각도, 지표에 수직축에 대한 각도를 의미한다. 태양 고도각은 일출 시간에 0°, 정오에는 최대가 되며, 최대 고도각은 태 양 경사각과 특정지역의 위도에 따라 달라진다. 최대 고도각과 태양 천정각은 다음과 같은 관계를 이루게 된다. 여기서 ϕ는 관찰점의 위도를 의미한다.

    ζ = φ δ
    (4)

    α = sin −1 sin δ sin φ + cos δ cos φ cos ω
    (5)

    태양 방위각(Solar Azimuth angle:γs)은 이상의 식들을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다. 여기서 방위의 기준은 북쪽이 0°이며, 동쪽 시계방향으로 각도가 증가한다.

    γ s = cos −1 sin δ cos φ −cos δ sin φ cos ω cos α
    (6)

    대기질량(AM)은 빛이 지구에 도달하는데 이르는 거리에 관계된 것으로서 태양 천정각이 0°일 때를 기준으로 얼마나 줄어드는지를 알 수 있게 하는 관 계식으로써 천정각 방향여현의 역수에 해당된다. 이 러한 관계식을 이용한 태양의 직달 일사강도(ID)에 대한 관계식은 태양복사밀도(Go)와 대기노정을 이 용하여 다음과 같이 나타낼 수 있으며, 전 일조강도 (IG)는 10% 정도 크게 나타난다.

    I D = 1353 0 . 7 AM 0 . 678
    (7)

    I G = 1 . 1 I D
    (8)

    이상과 같이 대기노정을 지나 관찰점에 도달하는 경사진 면의 일조량을 계산할 수 있다.

    3.2.솔라패널의 각도에 따른 일사량

    솔라패널에 입사하는 태양 에너지의 양은 태양 자 체의 출력뿐만 아니라 패널과 태양광선 사이의 각도 에 따라 달라진다. 패널과 태양광선이 수직이면 패널 의 출력은 태양 에너지와 같은 양을 출력하지만 패널 의 각도가 변하게 되면 패널의 출력양은 작아진다. 솔라패널의 법선벡터와 태양을 향하는 단위벡터를 각 각 NS 로 나타내면 패널의 일사량을 다음과 같이 정의할 수 있다.

    S module = S incident    S N
    (9)
    =

    위의 식을 이용하여 임의의 각도를 가진 솔라패널 의 태양에 의한 직달 일사량을 예측할 수 있다(Lee, 2013; PVCDROM).

    3.3.PV발전량

    PV발전 및 모듈에 관한 전기적 특성에 대한 사항 은 태양전지의 성능에 크게 의존하게 된다. 태양전지 는 기본적으로 p-n 접합 반도체의 특성을 나타내고 있으며, 태양에너지가 입사되면 광기전력효과에 의해 광전류(IL)가 발생하게 되며, 병렬 및 직렬연결에 따 라서 저항 등 여러 가지를 고려한 최대출력은 다음과 같은 식으로 나타난다.

    P max = V MP I MP = V oc I sc FF
    (10)

    여기서 VMP , IMP , Voc , Isc , FF 는 각각 최대전 압, 최대전류, 개방전압, 단락전류, 곡선인자(Fill factor)이다. 최대출력을 이용하여 태양전지의 전력 변환 효율을 다음과 같이 계산할 수 있다.

    FF = V MP I MP V oc I sc
    (11)

    위의 관계식을 이용해서 최대출력에 대한 값들과 효율들로 태양전지의 에너지 발생량을 계산할 수 있 으며, 일사량과 패널 방향에 따라 축척되는 에너지가 달라진다.

    3.4.경사면의 연중 일사량 변화

    본 논문에서는 태양과 패널의 각도에 의한 영향만 을 살펴보며, PV발전량의 변화는 고려하지 않는다. 즉, 식 (7)의 직달일사량만을 고려하며, 식 (9)와 같이 태양과 패널의 내적으로 계산된 일사량 변화를 고찰 하도록 한다.

    <Fig. 6>은 태양과 솔라패널의 위치에 따른 연중일 사량 변화를 나타낸 것이다. 위도(ϕ) 30°, 60°에 대해 관찰하였으며, 계산상 편의를 위해 경도는 0°로 가정 하였다. 그림에서 보는 바와 같이 일별 변화양상은 위 도별로 계절에 따라 다르다. 그림과 같이 패널 방위각 λ가 0°일 경우 경사각 변화에 따라 일사량은 감소한 다. 90°의 경우도 같은 경향이지만 감소비율은 0°모델 이 더 크다. 이 결과는 솔라패널이 북쪽을 향하면서 세워지는 경우가 가장 불리하게 나타나는 것을 의미 하고 동쪽 방향의 전지가 더 유리하게 나타난 결과이 다. 그러나 180°의 경우는 경사각이 클 경우 더 큰 값 을 나타내며, 계절에 따라 다르게 나타난다. 결론적으 로 남향의 계절에 적절한 각도변화를 주는 것이 가장 유리한 에너지 효율을 얻을 수 있을 것이다. 이 결과 는 일반적인 태양의 직달일사량 만을 고려한 것이므 로 정확한 태양광 발전량을 측정하는 것은 아니다. 그 러나 환경에 따라 기후, 온도, 지형 등의 특성에 따라 일사량의 모델은 여러 가지 형태로 제안되므로 다양 한 경우를 고려해야하며, 단지 설계단계에서 경사각과 방위각에 대한 분석으로는 타당한 결과이다.

    4.MICD 모델의 일사량 특성

    4.1.삼각형 요소의 일사량 산정

    MICD 모델은 각 패널별로 방위각과 경사각마다 태 양의 일사량이 다르게 나타난다. 방위각을 수치화하기 위하여 정북(正北) 방향을 0°, 정남(正南) 방향을 18 0 °로 정했으며, 시계방향으로 값을 부여하였다. MICD 모델의 위도와 경도는 시뮬레이션에서 매우 중 요한 요인이 되며, 태양의 방위각과 고도각에 따라 에 너지는 변화하게 된다. 본 논문에서는 서울지역을 대 상으로 위도(37°)와 경도(126°)를 적용하였다. <Fig. 7> 은 각 패널의 방위각과 경사각을 나타낸 그림이다. 그 래프를 보면 MICD 모델은 돔형모델이므로 매우 규칙 적인 변화를 보이고 있다.

    <Fig. 8>은 MICD 모델의 패널별 방위각과 경사각 을 표현한 그림이다. 그래프와 마찬가지로 방위각은 모델의 꼭짓점을 기준으로 시계방향으로 회전하고 있 으며, 경사각의 경우도 방사형으로 변화하고 있다.

    4.2.단위모듈 태양에너지 측정 데이터

    일출과 일몰 사이의 시간의 변화에 따라서 태양의 방위각과 고도각도 함께 변하게 된다. 계절과 시간별 로 태양이 패널에 주는 영향을 알아보기 위하여 <Fig. 9>와 같이 시뮬레이션을 하였다. 겨울(1월 1일: 연중 일 1일), 봄(4월 1일: 연중일 91일), 여름(7월 1일: 연중 일 182일), 가을(10월 1일: 연중일 274일) 순으로 계산 하였고 하루 중 8시부터 16시까지 두 시간 간격으로 표현하였다.

    1월 1일인 경우 시간별 변화를 쉽게 알 수 있다. 5 시방향의 패널이 가장 먼저 반응을 하고 8시 방향으로 진행이 바뀌는 것을 알 수 있다. 4월 1일의 데이터와 비교해 봤을 때 겨울은 남향 패널에서만 반응하고 있 으며, 남향의 경사진 패널이 다른 패널보다 효율적이 다. 4월 1일의 데이터의 경우 겨울에 나타나는 것 보 다 훨씬 중앙부의 패널에서 유리하게 작용한다. 이것 은 위도 37° 근처의 대부분의 지역에서 동일하게 작용 한다. <Fig. 9 (k)~(o)>의 결과에서 볼 때, <Fig. 9 (a)~(j)>에 비해 훨씬 중앙부로 집중되는데 여름철 태 양의 위치가 머리위에 머무르는 것을 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 중앙부의 영향이 편평한데도 불구하 고 적게 나타나는 것은 삼각형의 면적이 육각도형을 구성하는 삼각형보다 작기 때문이다. <Fig. 9 (p)~(t)> 의 경우도 마찬가지로 우리나라 봄, 가을의 태양이 주 는 영향이 유사한 것으로 쉽게 판단할 수 있다. 이상 과 같이 솔라패널의 일별 시간대에 따른 변화그래프 로 패널의 영향을 간단하게 식별할 수 있다.

    4.3.요소별 일사량 모델과 음영의 고려

    MICD 모델의 일일 일사량과 그림자의 영향을 고려 한 결과를 얻기 위해서 <Fig. 10>과 같은 상황을 고려 하였다. 음영이 전혀 없는 경우와 음영이 전체 구조물 의 12%와 25%인 경우로 채택하였다. 그림자의 방향 은 5시 방향을 채택하였고, PV전지 연결방식의 영향 은 고려하지 않았으며, 단순히 그림자가 발생한 패널 만 영향을 무시하였다.

    해석결과는 <Fig. 11>과 같고 그림에서 나타난 바 와 같이 음영에 따른 영향이 잘 반영되고 있다.

    <Fig. 11>의 결과에서 볼 때, 모든 음영상태에 따라 계절별 일사량의 값의 차이는 여름이 가장 크고, 겨울 철이 가장 작은 것을 쉽게 알 수 있다. 1월 1일 즉, 겨 울철의 경우 태양이 판넬에 미치는 영향력이 매우 작 고 7월 1일, 여름철의 경우는 중앙부에 위치한 패널보 다 중앙부 삼각형을 둘러싸고 있는 패널이 유리하게 작용한다. 봄과 가을의 경우에는 6시 방향에 가까운 패널들이 영향을 많이 받고 있으며, 12시 방향에 있는 패널의 경우 효율이 매우 낮다. 하지만 음영상태가 높 아짐에 따라서 에너지 발생효율은 감소하고 있다. 따 라서 구조물의 형태와 방향이 매우 중요한 요인을 끼 치는 것을 알 수 있으며, 에너지 효율에 유리한 위치 를 판별할 수 있다.

    MICD 모델의 일사량 변화특성에 대한 시뮬레이션 결과를 연중일 별로 <Fig. 12>에 나타내었다. 그림자 의 영향이 크게 작용할수록 일사량의 변화는 낮게 나 타났으며, 에너지 효율의 측면으로만 연구하였으므로 계절별 기후의 영향은 고려하지 않은 결과이다.

    <Fig. 13>은 각각의 패널에 대한 전체 일사량을 계 산한 것으로써 음영 0%, 12%, 25% 모델의 결과이다. 그림을 통해서 효율적인 솔라패널 위치를 판단할 수 있다.

    4.4.고찰

    각 음영조건에 따른 계절별 MICD 모델에 대한 태 양의 효율성을 알아보았다. <Fig. 13>에서 보는 바와 같이 음영 0% 모델에서는 겨울철에 요소번호 11~15, 37~39까지의 삼각형 요소의 패널이 비효율적으로 나 타났다. 다음으로 12%일 때 겨울철에 11~15, 37~39까 지의 요소가, 가을철에 26~30까지의 요소가 비효율적 이다. 또한 25%모델에서도 겨울철은 유사하며, 가을 철(연중일 274일)에는 6~8, 26~30까지의 셀이 비효율 적으로 나타났다. 음영조건에 상관없이 겨울철 11~15, 37~39까지의 삼각형 솔라패널은 비효율적이며, 모든 계절에서 요소 14가 가장 비효율적이며, 13, 15, 12의 순서로 비효율적이다. 패널의 설계에서 경제성은 패널 가격과 설치비용 및 발전량에 따라 판단 가능하지만 이상의 결과에서도 효율적인 패널을 설계 전에 판단 할 수 있다.

    5.결론

    본 연구에서는 정이십면체기반 반구형 돔을 대상으 로 태양광에너지를 효율적으로 얻을 수 있는 솔라패 널의 배치에 대해서 연구하였다. 대상모델의 삼각형 요소별 일사량을 계산하고 일별, 월별, 계절별로 분석 하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    1. 해석대상 돔의 시간별 태양 일조량 변화 특성은 겨 울철의 경우 남향의 전면에 설치된 경사각이 큰 패 널이 효율적이며, 여름철은 중앙부에 설치된 완만 한 경사각 패널이 높게 나타났다. 또한 동쪽과 서 쪽의 패널은 일조시간이 비교적 긴 여름철이 겨울 철보다 효율적이다.

    2. 계절별 일사량의 분포를 분석한 결과 연중일 182일 (여름), 91일(봄), 274일(가을), 1일(겨울)의 순서로 나타났다. 여름철은 중앙부 패널에서 높게 나타났 고, 겨울철은 전면부에서 높게 나타났다. 또한 음영 을 고려한 모델에서도 이와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

    3. 돔 모델의 각 패널당 일사량 변화에서 후면의 패널 에 대한 일사량은 구조물의 전체 일사량 변화에 큰 영향을 주지 않으며, 해석대상모델의 요소번호 12-15의 패널이 가장 비효율적이다.

    본 논문에서는 직달 일사에 대한 영향만을 고려한 것으로 추후 산란과 반사를 모두 고려한 효율적인 일 사량 연구를 수행할 예정이며, 자유곡면의 최적 솔라 패널 배치방안에 대한 기초연구로 활용할 수 있으리 라 판단된다.

    감사의 글

    이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(NRF -2014R1A2A1A01004473)

    Figure

    KASS-16-53_F1.gif

    Connected to roof of the solar panels

    KASS-16-53_F2.gif

    Solar panel on the curved roof

    KASS-16-53_F3.gif

    A basic shape and pentagons of the Icosahedron

    KASS-16-53_F4.gif

    Shape of MICD model

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    Modeling and panel areas of MICD model

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    Annual direct solar irradiation change acting on a slope

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    Azimuth and tilt angle changes of solar panel

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    Azimuth and tilt angles of MICD model

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    Irradiance of solar panels by time

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    MICD model considering shadows

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    Irradiance of solar panels of MICD model in daytime

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    Daily irradiance curves of MICD model

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    Solar panel energy efficiency of MICD model

    Table

    Coordinate of MICD model(unit: m)

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